青島大學寧新&袁丁：PVDF/ZIF8光致抗菌膜的製備及其PM2.5-0.3捕獲和油水分離效能研究
DOI: 10.1016/j.seppur.2021.120267
近年來，用於生物和環境保護的高效多功能奈米纖維膜的設計與製備引起了人們的廣泛關注。在此，研究者透過簡單可行的靜電紡絲工藝，成功製備了一種沸石咪唑骨架-8（ZIF8）修飾具有獨特雙峰纖維直徑分佈的聚偏氟乙烯（PVDF）複合膜，其具有良好的抗菌活性，可用於高效顆粒物（PM）捕獲和油水分離。受益於ZIF8釋放的金屬離子（Zn2+）和有機配體，特別是光激發下產生的活性氧（ROS），該複合膜對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和革蘭氏陰性大腸桿菌（E.coli）表現出較強的抗菌活性。更令人印象深刻的是，由於ZIF8的有效載藥能力，包封頭孢克肟的奈米纖維膜進一步顯示出顯著增強的抗菌效能。同時，在ZIF8表面的強表面電荷、PVDF中β相的高極性和超細纖維等因素共同作用下，複合膜在真實煙霧環境中實現了對PM0.3的優異捕獲效率（99.90±0.05%）以及對PM2.5的較高淨化能力（99.40±0.10%）。由於ZIF8獨特的選擇性潤溼性、三維多孔結構和增強的破乳效能，該複合膜對油包水乳液和油水混合物也具有優異的分離能力。這種多功能過濾/分離複合膜在生物防護、空氣汙染控制和油水分離等領域具有巨大的潛力。
圖1.PVDF/xwt%ZIF8膜的SEM影象，其中ZIF8含量分別為（a）0wt%、（b）1.25wt%、（c）2.5wt%、（d）3.75wt%和（e）5wt%％。（f）PVDF/3.75wt%ZIF8膜的元素對映。
圖2.（a）PVDF/xwt%ZIF8膜的纖維直徑分佈圖，（b）孔徑分佈曲線，（c）水接觸角。（d）PVDF/3.75wt%ZIF8膜的自清潔能力。
圖3.（a）PVDF和PVDF/3.75wt%ZIF8膜在黑暗和光照條件下對金黃色葡萄球菌（上圖）和大腸桿菌（下圖）的抑菌圈測試。M0和M1分別代表PVDF和PVDF/3.75wt%ZIF8膜。（b）相應的抑菌圈平均直徑。（c）PVDF/3.75wt%ZIF8奈米纖維膜的抗菌機制示意圖。
圖4.（a）ZIF8載藥和釋藥過程示意圖。（b）分別為頭孢克肟、ZIF8和載有頭孢克肟的ZIF8的FTIR光譜。（c）PVDF/3.75wt%ZIF8和PVDF/3.75wt%ZIF8@頭孢克肟膜在黑暗環境下對金黃色葡萄球菌（左）和大腸桿菌（右）的抑菌圈測試。（d）相應的抑菌圈平均直徑。
圖5.（a）PVDF/xwt%ZIF8濾膜的過濾效能。（b）不同基重的PVDF/3.75wt%ZIF8膜的過濾效能。（c）PVDF/3.75wt%ZIF8膜與商用膜過濾效率的比較。（d）不同基重的PVDF/3.75wt%ZIF8對應的QF值。（e）基重為3.2g/m2的PVDF/3.75wt%ZIF8膜在不同氣流速度下的過濾效能。（f）PVDF/3.75wt%ZIF8膜對不同尺寸NaCl氣溶膠顆粒的捕獲能力。
圖6.3D模型顯示PVDF/3.75wt%ZIF8膜對不同尺寸空氣顆粒物的過濾過程。插圖對應於捕獲策略。
圖7.3D模型顯示在不同（a）氣流速度和（b）基重下過濾過程中PVDF/3.75wt%ZIF8複合膜的壓力場分佈。
圖8.（a）真實煙霧PM過濾模擬裝置示意圖。（b）PVDF/3.75wt%ZIF8膜在80分鐘連續試驗中對PM10-2.5和PM2.5的淨化效率。插圖：過濾前（左）和過濾後（右）複合膜的照片。（c）PVDF/3.75wt%ZIF8膜對PM2.5的長期迴圈效能。（d）奈米纖維膜捕獲的油性PM的SEM影象。（e-f）相應捕獲機制的示意圖。
圖9.（a）酸鹼處理前後PVDF/3.75wt%ZIF8複合膜對不同粒徑顆粒物的過濾效率。（b，c）酸鹼處理後PVDF/3.75wt%ZIF8膜的照片和（d，e）SEM影象。（f）基於PVDF/3.75wt%ZIF8膜的人臉佩戴口罩和商用口罩的紅外熱影象。
圖10.（a）在空氣中，PVDF/3.75wt%ZIF8膜表面油、水、飽和NaCl、PH=1的HCl和PH=13的NaOH液滴的照片。顯示PVDF/3.75wt%ZIF8複合膜的動態油滲透（b）和疏水性（c）的照片。（d）油下PVDF/3.75wt％ZIF8膜表面不同液滴的照片。（e）照片顯示PVDF/3.75wt%ZIF8膜對水中油的吸附。
圖11.（a-c）分離前後油包水乳液的照片和相應的光學顯微鏡影象。（d-e）油-水、（f）油-飽和NaCl、（g）油-HCl（PH=1）、（h）油-NaOH（PH=13）混合物的分離過程。PVDF/3.75wt%ZIF8膜對油水混合物（i）和油包水乳液（j）的迴圈分離效能。
